武 寧， 孫曉云， 岳 爽， 臧樹良

（1. 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001； 2. 沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽110136； 3. 遼寧大學，遼寧 沈陽110036）

綜合評述

Baeyer–Villiger重排反應的研究進展

武 寧1， 孫曉云2， 岳 爽3， 臧樹良1

（1. 遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001； 2. 沈陽航空航天大學，遼寧 沈陽110136； 3. 遼寧大學，遼寧 沈陽110036）

介紹了近些年Baeyer-Villiger反應中氧化方面的研究情況，主要介紹常用的催化劑，包括酸類和具有堿性的水滑石類、過渡金屬離子的分子篩類、微生物酶類及過渡金屬配合物類，同時介紹了離子液體在Baeyer-Villiger氧化反應中的應用現(xiàn)狀。

Baeyer-Villiger重排反應；催化劑；離子液體

Baeyer-Villiger是將酮氧化成相應的酯的一類氧化反應，也叫做Baeyer–Villiger重排[1,2]。Adolf Baeyer等第一次于1899年報道了Baeyer–Villiger重排反應，他們選擇過硫酸鈉和濃硫酸為氧化劑，進行了薄荷酮等的Baeyer-Villiger氧化反應。此后，此類反應在天然產物等的合成中發(fā)揮著重要的意義。對于此反應中常見的氧化劑，馮小明等[3]曾作過系統(tǒng)的綜述，常規(guī)的B-V反應通常用三氟過氧乙酸、過氧苯甲酸等作為氧化劑，但用三氟過氧乙酸、過氧苯甲酸等作為氧化劑會對環(huán)境造成嚴重的污染，工業(yè)上已經(jīng)很少被使用，新型的Baeyer-Villiger反應氧化劑以環(huán)境友好的H2O2和O2為主。

在對Baeyer–Villiger重排反應的研究中，催化劑方面的研究一直是熱點。同時，離子液體作為一類新型的綠色溶劑，近幾年來也開始被應用于Baeyer–Villiger氧化反應。

1 Baeyer–Villiger氧化反應5類催化劑

1.1 酸類

酸類催化劑作為一類高效催化劑在Baeyer-Villiger重排反應中應用廣泛。由于過酸在作為氧化劑的同時也具有很好的催化性能，所以也可以把過酸類催化體系歸于酸催化體系中。事實上，在很多反應體系中，酸催化劑的存在會大大提高反應活性。張研等[4]發(fā)現(xiàn)，在以乙酸酐為介質的Baeyer–Villiger重排反應中，可以用過碳酸鈉(Na2CO3﹒H2O2)作氧化劑，將環(huán)酮或酮氧化成相應的內酯或酯。Berkessel等[5]報道了環(huán)己酮等的Baeyer–Villiger重排反應，反應中他們選擇以酸作催化劑、以環(huán)境友好的H2O2為氧化劑。在溫度、溶劑等條件相同的情況下，與不加催化劑的空白試驗進行對照，加入酸類催化劑時的反應轉化率和產率都有很大的提高。同時，他們在試驗中還發(fā)現(xiàn)，該類Baeyer–Villiger重排反應中存在溶劑效應，在相同條件下，以1，1，1，3，3，3-六氟-2-丙醇（HFIP）為溶劑時，轉化率和產率較其他溶劑都高，所以選擇合適的溶劑也是該類重排反應中的研究重點。

Lewis酸類如SnCl4等能夠與酮羰基之間發(fā)生絡合作用，進而活化酮羰基，使H2O2、O2等氧化劑更容易進攻酮羰基，促進重排反應的進行。所以很多Lewis酸類也常用作Baeyer–Villiger重排反應中的催化劑。

1.2 堿性的水滑石類

固體水滑石及類水滑石對Baeyer–Villiger重排反應具有比較高的催化活性。Kanda等[6-10]研究發(fā)現(xiàn)，在以層狀水滑石等水滑石類作為催化劑催化的Baeyer–Villiger重排反應中，不僅反應中的產率較高，而且催化劑在反應后可以很好的分離回收再利用。Kanda等認為， Baeyer–Villiger重排反應的活性中心恰好是水滑石的堿性中心，這個堿性中心可以促進過酸把氧傳遞給酮這個重要過程的進行。所以，堿性的水滑石類催化劑才會對Baeyer–Villiger重排反應有著很高的催化活性。

Kanda等還認為，由于 Fe3+，Cu2+等變價金屬離子可以和水滑石類的堿性中心發(fā)生協(xié)同作用，所以Fe3+，Cu2+等變價金屬離子的加入能明顯提高Baeyer–Villiger重排反應的轉化率和產率[11]。

1.3 過渡金屬離子的分子篩類

過渡金屬離子的分子篩在Baeyer–Villiger重排反應中的應用十分廣泛。Bhaumik等[12]第一次報道了在催化氧化Baeyer–Villiger重排反應中應用TS—1分子篩。Corma等[13]的研究結果表明，摻雜金屬離子Sn的β分子篩類，可以選擇地活化酮上的羰基，從而能夠有效的促進Baeyer–Villiger重排反應有效進行，反應產物中相應內酯的比例可達到98%。并且反應中的選擇性也很高，對于不飽和酮，也能生成單一的目標酯或內酯，無環(huán)氧化物等副產物。他們還以對甲氧基苯甲醛為底物，以Sn—β分子篩等作催化劑，催化氧化對甲氧基苯甲醛生成甲酸酯，進一步水解生成酚，其效果也較好[14-15]。

以Sn—β分子篩作催化劑的Baeyer–Villiger重排反應過程有如下優(yōu)點：首先，由于此類催化劑催化的Baeyer–Villiger重排反應中沒有由醛生成的相應的酸的過程，因此提高了重排反應的原子經(jīng)濟性；其次，無論是從反應的溫度還是從溶劑的量來看，其溫和的反應條件和較少的溶劑用量都使得Sn—β分子篩類催化劑有著較好的工業(yè)應用前景。

1.4 微生物酶類

微生物酶是指起著催化生物體系中特定反應的、由微生物活細胞產生的蛋白質。作為催化劑的微生物酶，它可以加速三種反應：水解反應、氧化反應和合成反應。微生物酶可以在活細胞內進行催化作用，也可以透過細胞作用細胞外的物質；前者稱內酶，后者稱外酶。酶的催化過程是一個兩步反應： E + S→ ES→ E + P 酶基質 復合物 酶 底物酶具有專一性。酶的活性受環(huán)境條件的影響十分顯著，主要的物理環(huán)境條件有：溫度、需氧量和pH值，這些條件是廢水生物處理過程中的最重要因素。

微生物酶在氧化反應中的催化活性較高。此類催化劑催化氧化的Baeyer–Villiger重排反應可在室溫中性或接近中性的條件下進行，這樣溫和的反應條件會減低反應中發(fā)生重排的幾率，而且無論是從綠色化學還是從能源節(jié)約的角度考慮，微生物酶類催化劑都明顯優(yōu)于其他類型的催化劑。最早被應用于催化氧化Baeyer–Villiger重排反應的微生物酶為CHMO(環(huán)己酮單氧酶)，近幾十年來，應用于Baeyer–Villiger重排反應的單酶有20多種。常見的微生物酶催化劑[16,17]有：E.coli Top 10 [pQR 239]、NCIMB9871，環(huán)戊酮單過氧化酶（CPMO）、以及4-羥基苯己酮單過氧化酶（HAPMO）等催化活性較高的微生物酶類。從反應的立體選擇性的角度來講，微生物酶催化的Baeyer–Villiger重排反應較化學法更高。目前，該方法由于在反應中有代謝副產物的生成，所以應用于工業(yè)化生產還有一定的局限性。近年來，基因工程酵母菌成為了人們研究的新熱點，基因工程酵母菌在Baeyer–Villiger重排反應中的應用不僅可以降低毒性，還可以提高催化活性，為微生物酶類催化的Baeyer–Villiger重排反應的工業(yè)化應用起到很好的促進作用。

1.5 過渡金屬配合物類

在Baeyer-Villiger重排反應催化劑的研究中，過渡金屬配合物類的應用也很廣泛。按反應體系可分為均相催化劑和非均相催化劑兩類，其中固體酸、硅膠負載的鈦配合物和硒等屬于非均相催化劑；均相催化劑主要基于鉑、鋯、錸、硒、砷和鉬等，此催化體系中通常采用的氧化劑為分子氧，此外，還常加入醛類作為體系的共氧化劑[18]。

1978 年，Jacobson等首次將過渡金屬Mo的配合物應用于Baeyer-Villiger反應, 隨后又發(fā)展了一系列過渡金屬( Cu , W , Re , Mn ,Pt , Sc , Ti 等)的配合物，它們在光學活性化合物的合成中應用較廣。1994年，Bolm第一次報道了環(huán)己酮和環(huán)庚酮的不對稱的Baeyer-Villiger重排反應。他們選擇鎳和銅的金屬配合物作催化劑，將環(huán)酮類氧化成了目標的內酯。但試驗結果不太理想，而且此類催化體系在很大程度上受到溶劑種類的制約[19]。于此同時，Strukul等以手性鉑作催化劑催化不對稱的Baeyer-Villiger重排反應[20]。Tatsuya等接著又以Co(Ⅲ)(salen)作催化劑、催化手性的3-取代的環(huán)丁酮生產相應的內酯，同樣取得了較好的產率和e.e.值[21-25]。

2 離子液體的應用

離子液體即完全由正負離子組成的室溫下為液體的鹽，由于陰陽離子數(shù)目相等，因而整體上顯中性。又稱室溫離子液體或者室溫熔融鹽，也稱非水離子液體、液態(tài)有機鹽等。簡而言之，離子液體是指在室溫或室溫附近溫度下呈液態(tài)，并由陰陽離子組成的物質。與熔鹽相比，離子液體的熔點低于100 ℃；與固態(tài)物質相比，它是液態(tài)；與傳統(tǒng)的液態(tài)物質相比，它是離子型，離子液體具有不揮發(fā)、熱穩(wěn)定性較高、便于反應操作處理和易于回收等特點，近年來倍受關注。此外，通過陰陽離子的設計，可調節(jié)其對無機物、有機物、及聚合物的溶解性，并且其酸度可調至超酸。最初的離子液體主要用于電化學的研究，近年來在作為環(huán)境友好的溶劑方面有很大的潛力。目前，應用于催化氧化Baeyer-Villiger重排反應中的離子液體大多作為反應溶劑，比較常用的是[bmim]BF4[26]，此外，還有HmimOAc[27]等。

2.1 [bmim]BF4

近年來，Roberta Bernini等將離子液體[bmim]BF4(圖1)應用于Baeyer-Villiger重排反應，建立了一種以離子液體作溶劑，催化氧化Baeyer-Villiger重排反應的新的催化體系。

圖1 [bmim]BF4離子液體的結構Fig.1 The structure of ionic liquid [bmim]BF4

MTO（甲基三氧化錸）在化學領域應用最多最廣的是作為多種有機化學的催化劑使用。Roberta Bernini等以MTO為催化劑，在離子液體[bmim]BF4中催化環(huán)丁酮等生成相應的內酯，獲得了較高的產率和轉化率。從綠色化學的角度講，此催化體系在較溫和的反應條件下進行（室溫或者40 ℃），此外，此催化體系可循環(huán)使用，而且在循環(huán)5次內得到的產率沒有明顯降低。此反應機理如圖2。

Bernini等還在MTO（甲基三氧化錸）上負載聚4-乙烯基吡啶，以丁醇為溶劑，以H2O2為氧化劑氧化甲基化的4′，5，7-三羥黃烷酮和和5，7，3′三羥基-4′甲氧基黃烷酮生成相應的酯，產率也較高。上述反應體系雖然達到了較高產率和轉化率，但反應的選擇性不是很好，而且催化劑循環(huán)使用次數(shù)也有限。

圖2 離子液體中MTO催化氧化機理Fig.2 Pathway of cyclobutanone oxidation catalyzed by MTO

2.2 HmimOAc等

最近，Anna Chrobok等以過硫酸氫鉀為氧化劑，以各種離子液體為溶劑，在40 ℃的條件下，研究了各種離子液體在此體系中對Baeyer-Villiger氧化反應的影響。實驗結果表明，此體系中效果最好的離子液體是[bmim]BF4和HmimOAc。隨后將這兩種離子液體應用于其它內酯和酯的合成中，都獲得了較高的產率（65%～95%）；這兩種離子液體被循環(huán)使用3次后，催化活性無較大的損失。該實驗體系雖然獲得了較高的產率和較好的選擇性，但是此體系中離子液體的循環(huán)使用次數(shù)有限。

3 結束語

幾十年來，在重排反應的體系中，各種各樣的催化劑已廣泛應用于催化氧化Baeyer-Villiger重排反應。在Baeyer-Villiger重排反應中，液態(tài)的過酸做氧化劑，加入苯甲醛等醛類做助催化劑的反應體系不利于實現(xiàn)重排反應的原子經(jīng)濟性，因此，上述介紹的5種催化體系中，固體酸和過渡金屬離子的分子篩類催化劑有著很好的工業(yè)應用前景。從近幾年對Baeyer-Villiger重排反應催化劑的研究現(xiàn)狀來看，催化體系中催化活性、反應的原子經(jīng)濟性以及將Baeyer-Villiger重排反應應用于不對稱合成中等方面將是以后值得關注的重點方向。隨著人們的研究，綠色化學已經(jīng)深入到化學界的各個領域，離子液體作為一種新型綠色溶劑逐漸被人們認識，在很多化學反應中都開始嘗試使用離子液體來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有機溶劑，它在增加反應速率、提高催化性能和循環(huán)使用等方面有很大的潛力，因此將更多新型、功能型的離子液體應用于Baeyer-Villiger重排反應也將成為一種綠色環(huán)保的好方法。

[1] Paul D M. Molecular Rearrangements.Part One[M].New York：Interscience Publishers a Division of John Wiley & Sons，1963 :577-589.

[2] Strukul G. Transition Metal Catalysis in the Baeyer-Villiger Oxidation of Ketones[J]. Angew Chem Int Ed Engl,1998,37(9):1198-1209.

[3] 馮小明，彭云貴，蔣耀忠. Baeyer-Villiger反應中的氧化劑[J].合成化學,1999，7 ( 4 ) ：374-381.

[4] 張研，胡輝，方屹,等.過碳酸鈉—醋酸酐作用下的Baeyer-Villiger反應[J].有機化學，1996，16（1）：64-67.

[5] Berkessel A,Andreae M R M. Efficient Catalytic Methods for the Baeyer-Villiger Oxidation and Epoxidation with Hydrogen Peroxide[J].Tetrahedron Lett,2001,42(12): 2293-2295.

[6] Kanda K,Yamaguchi K,Mori K,et al. Catalyst Design of Hydrogentalcite Compound for Efficient Oxidations[J].Catal Surv Jpn,2000,4(1):31-38.

[7] Kanda K,Ueno S, Imanaka T. Catalysis of Transition Metal—Functionalized Hydro talcites for the Baeyer-Villiger Oxidation of Ketones in the Presence of Molecular Oxygen and Benzaldehyde[J]. J Mol.Catal A:Chem ,1995,102(3): 135-138.

[8] Kanda K,Yamashita T.Heterogeneous Baeyer-Villiger Oxidation of Ketones Using m-Chloroperbenzoic Acid Catalyzed by Hydrocalciteas[J]. Tetrahedron Lett,1996,37(26):4555-4558.

[9] Nnikrishnan R P,Demessie E S.Sn—Exchanged Hydrocalciteas as Catalysts for Clean and Selective Baeyer-Villiger Oxidation of Ketones Using Hydrogen Peroxide[J]. J Mol.Catal A:Chem,2003,191(1):93-100.

[10] Ueno S,Ebitani K,Ookubo A,et al.The Active Sites in the Heterogeneous Baeyer-Villiger Oxidation of Cyclopentanone by Hydrotalcite Catalysts[J].Appl Surf Sci,1997,121-122:366-371.

[11] Fukuda O,Sakaguchi S,Ishii Y.A New Strategy for Catalytic

Baeyer-Villiger Oxidation of KA—Oil with Molecular Oxygen Using N—Hydroxyphthalimide[J]. Tetrahedron Lett,2001,42(20): 3479-3481.

[12] Bhaumik A,Kumar P,Kumar R. Baeyer-Villiger Rearrangement Catalysed by Titanium Silicate Molecular Sieve (TS-1)/H2O.System[J].CatalLett,1996,40:47-50.

[13] Corma A,Nemeth L T,Renz M,et al.Sn??Zeolite Beat as a Heterogeneous Chemoselective Catalyst for Baeyer-Villiger oxidations[J].Nature,2001,412(6845): 423-425.

[14] Corma A,Fornes V ,Iborra S,et al.One-Pot Synthesis of Phenols from Aromatic Aldehydes by Baeyer-Villiger Oxidation with H2O2Using Water—Tolerant Lewis Acids in Molecular Sieves[J].J Catal ,2004,221(1):67-76.

[15] Nnikrishnan R P,Demessie E S.Sn-Exchanged Hydrotalcites as Catalysts for Clean and Selective Baeyer-Villiger Oxidation of Ketones Using Hydrogen Peroxide[J]. J Mol.Catal A:Chem,2003,191(1):93-100.

[16] Gutierrez M C,Alphand V,Furstoss R. Microbiological Transformations 52;Biocatalysed Baeyer-Villiger Oxidation of 1-IndanoneDerivatives[J]. J Mol.Catal B:Enzym,2003,21(4-6): 231-238.

[17] Wang S Z,Kayser M M,Iwaki H,et al.Monooxygenase-Catalyzed Baeyer-Villiger Oxidations:CHMO Versus CPMO[J]. J Mol.Catal B:Enzym,2003,22(3-4):211-218.

[18] Lei Ziqiang，Zhang Qinghua，Luo Jujie．Baeyer-Villiger Oxidation of Ketones with Hydrogen Peroxide Catalyzed by Sn--Palygorskite[J]．Tetrahedron Lett，2005，46(20)：3505-3508.

[19] Boronat M ，Corma A ，Renz M ，et a1．A Multisite MolecularMechanism for Baeyer-Villiger Oxidations on Solid Catalysts Using Environmentally Friendly H2O2as Oxidant[J]. Chem Eur J，2005，11(23)：6 905-6 915.

[20] Corma A，Navarro M T，Renz M． Lewis Acidic Sn(Ⅳ)Centers-Grafted onto MCM -41 -as Catalytic Sites for the Baeyer-Villiger Oxidation with Hydrogen Peroxide[J]．2003，219(1)：242-246.

[21] Palazzi C ，Pinna F，Strukul G．Polymer-Anchored Platinum Complexesas Catalysts for the Baeyer-Villiger Oxidation of Ketones：Preparation an d Catalytic Properties[J]. J Mol Catal A :Chem,2000，151(1-2)：245-252.

[22] Bolm C，Beckmann O．Zirconium -M ediated Asymmetric Baeyer-Villiger Oxidation[J]．Chirality，2000，12(5-6)：523-525.

[23] Muranhashi S I,Oda Y,Naota T. Fe2O3-Catalyzed Baeyer-Villiger Oxidation of Ketones with Molecular Oxygen in the Presence of Aldehydes[J]. Tetrahedron Lett,1992,33(49):7557-7560.

[24] Inokuchi T,Kanazaki M,Sugimoto T,et al. Baeyer-Villiger Type Oxidation in a Dioxygen-Arenecarbaldehyde-Rhthenium Dioxide or Manganese Dioxide System[J].Synlett,1994,(12):1037-1038.

[25] Brink G J，Auends I W C E，Sheldon R A．The Baeyer-Villiger Reaction：New Developments Toward Greener procedures[J]．Chem Rev，2004，104(9)：4 105-4 124.

[26] Bernini R, Coratti A, Fabrizi G, et al. CH3ReO3/H2O2in room temperature ionic liquids:an homogeneous recyclable catalytic system for the Baeyer–Villiger reaction[J].Tetrahedron Lett,2003,44(50):8991-8994.

[27] Chrobok A.The Baeyer–Villiger oxidation of ketones with Oxone in the presence of ionic liquids as solvents[J]. Tetrahedron, 2010 ,66:6212-6216.

Research Progress of Baeyer-Villiger Rearrangement Reaction

WU Ning1，SUN Xiao-yun2，YUE Shuang3，ZANG Shu-liang1
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Shenyang Aerospace University, Liaoning Shenyang 110036，China; 3. Liaoning University, Liaoning Shenyang 110036，China）

Research situation of oxidation reaction in Baeyer-Villiger was introduced.Common catalysts were discussed, including acid and alkaline hydrotalcite-like compounds, zeolites with transition metal ions, microbial enzymes and transition metal complex. At last, application of ionic liquids in Baeyer-Villiger oxidation reaction was also introduced.

Baeyer-Villiger rearrangement； Catalyst； Ionic liquids

O 6

A

1671-0460（2012）02-0152-04

國家自然科學基金，項目號：N SFC (21071073)；國家青年科學基金項目，項目號：NSFC (21101084)

2011-12-20

武寧（1986-），女，遼寧營口人，在讀碩士，遼寧石油化工大學分析化學專業(yè)，研究方向：離子液體的合成及應用。E-mail：wuning618@126.com。

臧樹良（1951-），男，教授，博士，研究方向：分析化學。